数显金属探测器的设计
ＩＳＳＮ１００９—３０４４
ＣｏｍｐｕｔｅｒＫｎｏｗｌｅｄｇｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ电蘑知识与技术Ｖ０１．６，Ｎｏ．３ｊａｎｕａｒｙ２０１０，ＰＰ．７２８—７２９，７３５
Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｆｆｙｊ＠ｅｃｃｃ．ｎｅｔ．ｃａ
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｄｎｚｓ．ｎｅｔ．ｃｎ’Ｉ．ｅｌ：＋８６—５５ｌ一５６９０９６３５６９０９６４
数显金属探测器的设计
胡飞．王文渊。卢超
（陕西理工学院物理系。陕两汉中７２３０００）
摘要：以ＡＴ８９Ｓ５２单片机为核心，采用线性霍尔元件ＵＧＮ３５０３作为传感器，来感应金属涡流效应引起的通电线圈磁场的变化，并将磁场变化转化为电压的变化，单片机测得电压值，并与设定的电压基准值相比较后，决定是否探测到金属。软件采用了数字滤波技术消除干扰。提高了探测器的抗干扰能力，确保了系统的准确性。
关键词：金属探测器，线性霍尔元件，电磁感应
中图分类号：ＴＰ３３８文献标识码：Ａ文章编号：１００９—３叫４（２０１０）０３—７２８埘
１１№ＤｅｓｉｇｎｏｆＤｉｇｉｔａｌＭｅｔａｌＤｅｔｅｃｔｏｒ
ＨＵＦｅｉ，ＷＡＮＧＷｅｎ—ｙｕａｎ，ＬＵＣｈａｏ
（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＰｈｙｓｉｃｓ，ＳｈａａｎｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｚｈｏｎｇ７２３０００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｈａｒｄｗａｒｅａｎｄＳＯｆｔ＂ｗａｒｅ，ｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓａｎｄｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆａｎｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍｅｔａｌｄｅ－ｔｅｃｔｏｒｗｈｉｃｈｍａｉｎｌＹｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆＡＴ８９Ｓ５２ａｎｄｌｉｎｅａｒＨａｌｌ—ＥｆｆｅｃｔＳｅｎｓｏｒ．ＴｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｄｏｐｔｓＵＧＮ３５０３Ｕｌｉｎｅａｒｈａｌｌ－ｅｆｆｅｃｔｓｅｎｓｏｒａＳｐｒｏｂｅｔｏｄｅｔｅｃｔ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｅｔａｌｄｅｔｅｃｔｏｒ；ｌｉｎｅａｒｈａｌｌ—ｅｆｌｅｅｔｓｅｎｓｏｒ；ｄｅｃｔｒｉｃ－ｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｄｕｃｔｉｏｎ
金属探测器作为一种最重要的安全检查设备，广泛地应用于社会生活和１二业生产的诸多领域。为了能够准确判定金属物品藏匿的位置，就需要金属探测器具有较高的检测精度。采用灵敏度极高的线性霍尔元件作为传感器，感应由于金属出现引起的探测线圈周同磁场的变化，提高了枪测精度，处理部件采用ＡＴ８９Ｓ５２单片机作为控制核心，对检测结果进行分析判断，适用于对邮件、行李、包裹及人体夹带的伤害性金属物品（刀具、枪械、武器部件、弹药和金属包装的炸药等）的检测，可用于海关、机场、车站、码头的安全检查．也可用于探测隐藏于墙内、护墙板内侧、空洞ｉ’土壤中的上述物品和其他金属物。
１系统设计
根据电磁理论。当金属物体被置于变化的磁场中时，金属导体内就会产生自行闭合的感应电流，这就是金属的涡流效应。涡流要产生附加的磁场，与外磁场方向相反，削弱外磁场的变化。据此．将一交流正弦信号接入绕在骨架上的空心线圈上，流过线圈的电
流会在周围产生交变磁场，当将金属靠近线圈时．金属产生的涡流磁场的去磁作用会削弱线圈磁场的变化。金属的电导率越大，交变电流的频率越大，则涡电流强度越大，对原磁场的抑制作用越强。故当有金属物靠近通电线罔平面附近时，无论是介质磁导率的变化．还是金属的涡流效应均能引起磁感应强度Ｂ的变化。整个探测系统以ＡＴ８９Ｓ５２作为控制核心，其硬件电路分为两个部分。一部分作为线罔振荡电路，包括：多谐振荡电路，放大电路和探测线圈；另一部分为控制电路．包括：ＵＧＮ３５０３型现行霍尔传感器，前置放大电母堇
片
机
盯８９８
５２
路，峰值检波电路，ＡＤＣ０８０９模数转换器，ＡＴ８９Ｓ５２单片机，ＬＥＤ显示电路，声音报
警电路及电源电路等。系统框图如图ｌ所示。
２主要模块硬件电路设计
２．１线圈震荡电路
由５５５构成一个多谐振荡器，产生一频率为２４ＫＨｚ脉冲信号，电路如图２所
示。选择２４ＫＨｚ的超长波频率是为了减弱土壤对电磁波的影响。从多谐振荡器输出
的正脉冲信号经过电容Ｃ８输出到Ｑｌ的基极，使其导通，经Ｑ１放大后，就形成了频
率稳定度高、功率较大的脉冲信号输入到探测线圈Ｌ１中．在线圈内产生瞬时较强的图２线圈震荡电路
收稿日期：２００９—１２－０９
基金项目：陕西理工学院科研项目（ＳＬＧ０８１６）
作者简介：胡飞（１９８６一），男，陕西商洛人，陕西理工学院物理系，研究方向：电子信息科学技术；王文渊（１９８６－），男，陕西汉中人，陕西理工学院物理系．研究方向：电子信息科学技术；卢超（１９７９一），男，陕西汉中人，陕西理工学院讲师，硕士，从事电子技术，测控技术方面的研究。
７２８??计算机工租应用技术???－－本栏目贲任编辑：贾薇薇
第６卷第３期（２０１０年１月）ＣｏｍｐｕｔｅｒｌＩ（ｈｏ叫踟啪ａｎｄＴｅｃｈｎｏ研＿ｇＭｔｎＵｌ与技术
电流，从而使线圈周围产生恒定的交变磁场。由于在脉冲信号作用下，Ｑｌ处于开关工作状态，而导通时问又非常短，所以非常省电，可以利用９Ｖ电池供电。
２．２放大和峰值检波电路
由于ＵＧＮ３５０３Ｎ线性霍尔传感器采集到的电压信号是一个很小的电信号，故在对其处理前要进行放大。设计中信号放大电路采用输入阻抗高、漂移较小、共模抑制比高的集成放大器ＬＭ３２４。如图３所示。ＵＧＮ３５０３线性霍尔传感器输出的微弱信号经电容耦合到前级运算放大器Ｕ２Ａ的同相输入端，运算放大器Ｕ２Ａ把霍尔传感器的电压转换为对地电压。在电路设计中运放ＬＭ３２４采用＋５Ｖ单电源供电，对于不同强度的信号均可通过调节前级放大电路的反馈电位器ＷＩ开改变放大倍数。经前级运算放大器放大的信号经耦合电容Ｃ２输入到后级峰值检波器中。采用组容耦合的方法可以使前后级的电路的静态工作点保持独立．隔离各级静态之间的相互影响，使得电路总漂移不会太大。
峰值检波电路由两级运算放大器组成，第一级运放Ｕ２Ｂ将输入信号的峰值传递到电容Ｃ６上，并保持下来。第二级运放Ｕ２Ｃ组成缓冲放大器，将输出与电容隔离开来，在设计中，为了获得优良的保持性能和传输性能，采用ＬＭ３２４。当输入电压Ｖ１２上升时。Ｖ０２电压跟随上升，使二极管Ｄ４、Ｄ５导通，Ｄ３截止，运放Ｕ２Ｂ工作在深度负反馈状态．给电容Ｃ６充电。Ｖｃ上升。当输入电压Ｖ１２下降时，Ｖ０２电压跟随下降，Ｄ３导通，运放Ｕ２Ｂ工作在深度负反馈状态，深度负反馈保证了二极管Ｄ４、Ｄ５可靠截止，Ｖｃ值得以保持。当Ｖ１２再次上升时，Ｖ０２在次上升使Ｄ４、Ｄ５导通，Ｄ３截止，再次对电容Ｃ６充电（Ｖｃ高于前次充电电压），Ｖ１２下降时，Ｄ４、Ｄ５又截止，Ｄ３导通，Ｖｃ将峰时再次得以保持。输出Ｖ０反应Ｖｃ的大小。通过峰值检波和后级缓冲放大电路．将采集到的微弱电压信号放大至０ｖ一５Ｖ的直流电平。以满足Ａ／Ｄ转换器ＡＤＣ０８（Ｙ）所要求的输入电
压变化范围。
２．３刖Ｄ转换电路
如图４所示，输出的电压信号送入ＡＤＣ０８０９的模拟输入通道
ＩＮ０进行Ａ／Ｄ转换，将Ｐ２．７（地址总线的Ａ１５）作为片选信号，由
ＡＴ８９Ｓ５２的写信号ＷＲ和Ｐ２．７控制ＡＤＣ０８０９的地址锁存ＡＬＥ和
转换启动ＳＴＡＲＴ，当ＡＤＣ０８０９的ＳＴＡＲＴ启动信号输入端为高电
平时，ＭＤ开始转换，在时钟的控制下，一位一位的逼近，比较器一
次次进行比较，转换结束时，送出转换信号ＥＯＣ，并将８位数字量
Ｄ７至ＤＯ锁存到输出缓冲器。。‘ｄ９Ｓ５２的读信号ＲＤ端发出一个
输出允许命令输入到ＡＤＣ０８０９的ＥＮＡＢＬＥ（即ＯＥ端），ＥＮＡＢＬＥ
（即ＯＥ端）呈现高电平，用以打开三态输出锁存器，ＡＴ８９Ｓ５２从
ＡＤＣ０８０９读取相应点位数字量，然后存人数据缓冲器中。
一旦发现金属出现，则被测量物理虽超限由单片机Ｉ，Ｏ口的
Ｐ１．Ｏ控制放光二极管进行光报警的同时，ＰＩ．６还触发蜂鸣器用声
报警提醒检测人员注意。
３系统程序设计
图３放大和峰值检波电路
在工作过程中，由５５５定时器构成的多些振荡器产生一个脉
冲为２４ＫＨｚ的脉冲信号，此脉冲信号经缓冲放大后，形成频率稳定度高、功率放大的脉冲信号输入到探测线圈中，通电的线圈会产生磁场，此时，固定在线圈Ｌ１中心的霍尔传感器ＵＧＮ３５０３Ｕ就会感应到线圈周围的磁场．并将磁场强度信号线性的转变成电压信号。在无金属的情况下，假设霍尔输出电压为Ｕ０，该电压信号Ｕ０很微弱，属毫伏级信号，Ｕ。经过放大电路放大，再经过峰值检波电路，得到相应的ＯＶ～５Ｖ的峰值输出电压Ｕｘ，然后经Ａ／Ｄ转换后，输入到ＣＰＵ，由ＣＰＵ完成Ｕｘ与基准电压Ｕ０的比较，二者比较ＩＵｘ—Ｕｏｆ得到一个差值，次差值与预设的灵敏度Ｕ在做比较。当然，Ｕ的大小设定决定着系统精度的高低。若ＩＵｘ—Ｕｏｌ＞ｕ，就确定为探测到金属，ＣＰＵ输出１：３Ｐ１．０输出信号驱动发光二极管发光报警，同时Ｐ１．６控制蜂鸣器发出声响．进行声音报警。流程图如图５所示。
４系统测试和结语
金属探测器的工作频率、灵敏度和稳定性是仪器的主要技术指标．探测器的灵敏度与探测线圈的尺寸大小有关。尺寸大即探测面积大。则线圈中心磁场强度低，在靠近线网绕组附近磁场强度较高，霍尔元件固定在线圈中心，为了确保通过其磁通量．探测线圈的尺寸就不宜太大。具体尺寸通过实验确定。
设计的金属探测器，可以在机场、大型运动会（如奥运会）、展览会进行安全检测．以排查行李、包裹及人体夹带的刀具、枪支、弹药等伤害性违禁金属物品；工业部门ｆ包括手表、眼镜、金银首饰、电子等生产含有金属产品的工厂）也可以使用金属探测器对出入人员进行检测，以防止贵重金属材料的丢失：考试也可使用金属探测器来防止考生利用手机等工具进行作弊，具有较好的应用范围。（下转第７３５页）
本栏目责任编辑：贾薇薇图４Ａ／Ｄ转换电路
图５程序流程图
?????计算机工蠢应用技术－?７２９星
第６卷第３期（２０１０年１月）ＣｏｍｐｕｔｅｒＫｎｏ叫ｅｄｇｅａｎｄＴｅｃｈｎｏ幻ｇｙ电奠知识与技术
１．３．２单件模式的实现
Ｌｏｇ＿ｃｈａｎｎｅｌ＋Ｌｏｇ＿ｃｈａｎｎｅｈ：ｉｎｓｔａｎｃｅ＿＝Ｏ：／／定义类静态指针变量
Ｌｏｇ＿ｃｈａｎｎｅｌ＊Ｌｏｇ＿ｃｈａｎｎｅｈ：ｉｎｓｔａｎｃｅＯ／／实例化指针变量．保证实例的唯一性
｛
ｉｆｆｉｎｓｍｎｃｅ＿＝０１ｉｎｓｔａｎｃｅ＿＝ＨｅＷＯｕｔ＿＿ｃｈａｎｎｅｌ；
ｒｅｔｕｍｉｎｓｔａｎｃｅ＿＿；
｝
２结论与总结
通过设计模式中单件模式、观察者模式两者结合，一方面，可以很好的解决储层算法类库设计开发中算法实时报错、算法参数记录、算法处理进度显示等问题，同时在模型中加入智能指针、引用计数的技术管理对象的内存空间的释放。可以有效地避免内存泄露问题。另一方面，在解决实际问题时，也可以通过继承Ｃｈａｎｎｅｌ主题抽象类，定制符合实际要求的主题类，扩展性强。
目前存在的问题，是模型中智能指针在循环引用方面没有解决，还需要进一步的研究。
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（上接第７２９页）
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本拦目责任编辑：贾薇薇一－???计算机工驰用技术－－７３５
数显金属探测器的设计
作者：胡飞， 王文渊， 卢超， HU Fei， WANG Wen-yuan， LU Chao
作者单位：陕西理工学院,物理系,陕西,汉中,723000
刊名：
电脑知识与技术
英文刊名：COMPUTER KNOWLEDGE AND TECHNOLOGY
年，卷(期)：2010，6(3)
被引用次数：0次
参考文献(10条)
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8.卢超单片机与PC机的通信设计[期刊论文]-工矿自动化 2007(5)
9.卢超负反馈放大电路的仿真分析[期刊论文]-现代电子技术 2005(16)
10.卢超PVDF型脉搏传感器信号处理电路的设计 2009(6)
相似文献(2条)
1.期刊论文范丽珍.李树华.FAN Li-zhen.LI Shu-hua基于单片机的智能型金属探测器的设计-内蒙古大学学报（自然科学版）2006,37(2)
介绍了一种基于AT89S52单片机控制的智能型金属探测器的硬件组成、软件设计、工作原理及主要功能.该金属探测器以AT89S52单片机为核心,采用线性霍尔元件UGN3503作为传感器来感应金属涡流效应引起的通电线圈周围磁场的变化,并将磁场变化转化为电压的变化,单片机将测得电压值与试验测定的基准电压值相比较,以确定是否探测到金属.在软件设计中,采用了数字滤波技术消除干扰,提高了探测器的抗干扰能力,确保了系统的准确性.
2.学位论文范丽珍基于单片机控制的智能型金属探测器的设计2005
本文着重介绍了一种基于AT89S52单片机控制的智能型金属探测器的硬件组成、软件设计、工作原理及主要功能。该金属探测器以AT89S52单片机为核心,采用线性霍尔元件UGN3503作为传感器,来感应金属涡流效应引起的通电线圈磁场的变化,并将磁场变化转化为电压的变化,单片机测得电压值,并与设定的电压基准值相比较后,决定是否探测到金属。系统软件采用汇编语言编写。在软件设计中,采用了数字滤波技术消除干扰,提高了探测器的抗干扰能力,确保了系统的准确性。此外,文中还对影响金属探测器的灵敏度与稳定性的因素进行了探讨,认为仪器的工作频率、检测线圈的尺寸及匝数等是影响灵敏度的主要因素;而应用现场的环境温度、湿度及线圈的制作工艺和供电电源的稳定程度是仪器稳定性的影响因素。
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